理论教育 五点差分格式:土建类方程数值解法

五点差分格式:土建类方程数值解法

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:在1.3节我们已经对泊松方程离散化,并建立了有限差分格式其中,fi,j=f。上式可以改写为式称为五点差分格式。图1.6.1 五点差分格式特别地,对于拉普拉斯方程,我们还可得到差分格式可以证明以上关于椭圆型方程的五点格式差分解的存在性和唯一性。根据极值原理,可以直接推出差分方程式存在唯一解。

五点差分格式:土建类方程数值解法

在1.3节我们已经对泊松方程离散化,并建立了有限差分格式(1.3.3)

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其中,fij=fxiyi)。

上式可以改写为

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式(1.6.1)称为五点差分格式。其特点是每一个方程最多包含五个点处的函数值,而且这些点的分布是有规律的,即与点(ij)相应的方程只和该点的上、下、左、右4个相邻的结点有关,如图1.6.1所示。

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图1.6.1 五点差分格式

特别地,对于拉普拉斯方程,我们还可得到差分格式

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可以证明以上关于椭圆型方程的五点格式差分解的存在性和唯一性。为了叙述方便,引入差分算子Lhl,使

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极值原理:设uij是定义在网格点上的一组值,且uij不全部相等。如Lhluij≥0,则uij在内部结点上的最大值不大于边界上的最大值;如Lhluij≤0,则uij在内部结点上的最小值将大于边界上的最小值。

证明:当Lhluij)≥0时,若uij是最大值,且最大值为M,则有

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这与Lhluij≥0相矛盾,所以uij不可能在内部结点取最大值,即周围四点中至少有一点的函数值小于M,因此,这时uij在内部结点上的最大值不大于边界上的最大值。用类似的方法可以论证极值原理的后半部分。

根据极值原理,可以直接推出差分方程式(1.6.1)存在唯一解。亊实上,如果差分方程式(1.6.1)有两个适合同一边界条件的解,则这两个解的差,本身也是该差分方程问题的解,并且在边界上处处为零,由极值原理可知,这样的解必须恒等于零,因此,解的唯一性成立。

对于五点有限差分格式的收敛性,从极值原理出发可推证,若微分方程问题的解uxy)在区域D+Γ四阶连续偏导数,则五点差分格式收敛,证明从略。

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